蠶豆真菌病害及其研究進展

李仁慧，閆智臣，段廷玉

（蘭州大學草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室 /蘭州大學農(nóng)業(yè)農(nóng)村部草牧業(yè)創(chuàng)新重點實驗室/ 蘭州大學草地農(nóng)業(yè)科技學院 甘肅 蘭州 730020）

蠶豆(Vicia faba)是重要的糧食、蔬菜、飼料和綠肥兼用豆科作物，適應(yīng)性廣，具有較高的固氮能力，地上部固氮率為78.0%，地下部為58.8%[1]。聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(Food and Agriculture Organiza tion of the United Nations, FAO) 2014年數(shù)據(jù)顯示，世界上共有60多個國家和地區(qū)種植蠶豆。中國的蠶豆產(chǎn)量位居世界第一，產(chǎn)量占世界蠶豆總產(chǎn)量的比例為36.7%，共159.5萬t[2]。我國種植地域極為廣闊，秋播蠶豆種植面積占我國蠶豆播種面積的90%，主要分布在云南、四川和長江流域一帶； 春播蠶豆種植面積占10%，種植面積較大的有甘肅、青海、內(nèi)蒙古、新疆、西藏、河北、東北等地[3]。蠶豆營養(yǎng)價值豐富，蛋白質(zhì)含量極為豐富，達25.4%，人體9種必需氨基酸的總量達7.3%，維生素A(視黃醇當量)含量達 0.5 μg·g-1、維生素 B2含量達 2 μg·g-1，礦質(zhì)元素鈣、鋅、鐵含量豐富[4]?？捎糜谑秤谩曈?，也可直接作綠肥。翻壓肥田，還田后土壤有機質(zhì)含量可比未還田前提高5.8%，全氮含量增加2.0%，水解氮增加4.1%，有效磷增加28.8%，速效鉀增加10.4%[5]。

真菌病害是制約蠶豆生產(chǎn)的主要因素，燕麥鐮刀菌(Fusarium avenaceum)、尖孢鐮刀菌(F. oxysporum)及腐皮鐮刀菌(F. solani)引致的蠶豆根腐病死亡率高至60%～90%，甚至絕收[6]；春蠶豆赤斑病(Botrytis fabae)和輪斑病(Cercospora zonata)造成年產(chǎn)量損失28%～40%，重病年則在50%以上[7]。蠶豆枯萎病(F. oxysporum)在蠶豆整個生育期都有發(fā)生，造成根系腐爛、莖基部壞死直至植株萎蔫死亡，一般田塊枯死率30%，重病田塊發(fā)病率高達90%[8]。為此，回顧了國內(nèi)外近年來蠶豆病害及其防治的研究進展，以便于其他研究者能快速了解蠶豆病害目前的研究現(xiàn)狀，為蠶豆病害防控提供基礎(chǔ)資料。

1 蠶豆病害的種類及分布

截至2018年，全世界報道蠶豆常見真菌病害10種，分別為銹病(Uromyces viciae)、赤斑病(Bothytis fabae)、根腐病(F. avenaceum、F. oxysporum、F. solani)、褐斑病 (Ascochyta fabae)、枯萎病 (F. oxysporum)、霜霉病(Peronospoora viciae)、凋萎病(Stemphylium botryosum， S. vesicarium)、 苗 枯 病 (Rhizoctonia solani)、火腫病(Olpidium viciae)、葉斑病(Alternaria tenuissima)；其中發(fā)生最廣、研究最深入的病害主要為銹病，已發(fā)生于亞洲、歐洲、美洲及非洲，如中國[9-10]、英國[11-12]、德國[13]、加拿大[14]、意大利[15]等十多個國家報道，其次為赤斑病和根腐病，分布于中國[16-17]、英國[18]、埃塞俄比亞[19-20]、埃及[21-22]等國(表1)。在中國，銹病對秋蠶豆尤其是西南種植區(qū)的蠶豆生產(chǎn)危害嚴重[23]。赤斑病則是長江流域和東南沿海地區(qū)蠶豆生產(chǎn)中最重要的病害之一[24]。

2 真菌病害對蠶豆生理生化的影響

真菌病害可引致蠶豆一系列生理生化響應(yīng)。如銹菌(Uromyces viciae)侵染植物后，蒸騰作用增強，抑制同一葉片遠端蒸騰，加速土壤干燥，降低水勢0.2～0.4 MPa[12]；感染晚期，18∶3和18∶2單半乳糖二脂甘油脂肪酸比例下降[15]。感染枯萎病(F.oxysporum)的蠶豆抗性越低，其根際分泌氨基酸越多，且其根系分泌物中天門冬氨酸(Asp)、蘇氨酸(Thr)、甘氨酸(Gly)、丙氨酸(Ala)、纈氨酸(Val)、酪氨(Tyr)、苯丙氨酸(Phe)含量高時能促進枯萎病的發(fā)生，而絲氨酸(Ser)、甲硫氨酸(Met)和賴氨酸(Lys)含量及Ser/Gly、Ser/Ala比值高時能抑制枯萎病的發(fā)生與發(fā)展[25]。葡萄孢菌(Bothytis fabae)可造成蠶豆細胞空泡細胞質(zhì)增多，葉綠體膜系統(tǒng)紊亂，質(zhì)體數(shù)量增加[21]。病原菌亦會造成植物細胞內(nèi)離子、化合物的含量變化，室內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，葡萄孢菌可顯著降低植物生長活力、全氮含量和植物根瘤數(shù)，但會提高Na+和全酚含量[26]。病菌不僅影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)，侵染植物后，一些病菌還會產(chǎn)生毒素，如Cimmino等[27]從田間感染葡萄孢菌的蠶豆上分離到名為(4R)-3，4-二氫-4，5，8-三羧基-1(2H)-萘酮的植物毒素(表2)。

抗病品種對病菌侵染的響應(yīng)機理與感病品種完全不同。Mahmoudc[22]的試驗結(jié)果表明，誘導氧化/抗氧化反應(yīng)，以及抗病蛋白的積累都是蠶豆抗葡萄孢菌轉(zhuǎn)錄防御機制的一部分，其誘導強度和誘導時間依賴于抗性水平。種皮中的濃縮單寧能夠阻止由尖孢鐮刀(F. oxysporum)引起的根腐病感染，但不能阻止葡萄孢菌(Bothytis fabae)、蠶豆殼二孢菌(Ascochyta fabae)引起的感染[29]。Oca?a等[29]還發(fā)現(xiàn)參與植物-病原體相互作用的轉(zhuǎn)錄物，如富含亮氨酸的蛋白質(zhì)或參與植物對非生物和生物脅迫適應(yīng)的植物生長調(diào)節(jié)劑，在抗性品系里表達不同 (表 2)。

表 1 蠶豆常見真菌病害及發(fā)生國家Table 1 Common fungal diseases of broad bean

3 抗病性

蠶豆品種之間存在抗病性差異。Voegele等[13]利用銹菌分離物SP3和SP51檢測來自世界6個不同地區(qū)的蠶豆品種反應(yīng)時發(fā)現(xiàn)，2N3Il(北非)、2N319(歐 洲 )、 Ackerperle(歐 洲 )、 Erfordia(歐 州 )、 ILB96(中亞)、ILB403(北非)、ILB431(北非)、ILB479(東非)、IlB866(歐洲)、ILB919(北非)、ILB938(南美)11 個品種對兩種分離物抗性均很強。除了銹菌，葡萄孢菌分離物也可用于檢測不同蠶豆品種抗性，在Hanounik[30]的研究中，有14個蠶豆品種對20種葡萄孢菌分離物均具有抗性。在蠶豆不同品種對褐斑病(Ascochyta fabae)抗性檢測中，經(jīng)過4輪檢測和自交后，研究者發(fā)現(xiàn)有7個和8個自交系(S4)分別對分離物A和Y1為純種抗性，還有5個自交系對兩種分離物都為純種抗性[31]。同時發(fā)現(xiàn)2個蠶豆品種[云豆H3434和阿富汗引進材料(H2508)]屬于抗蠶豆花葉病品種，可用于抗病育種[32](表3)。

不同品種的蠶豆對褐斑的抗病基因不同，研究表明，蠶豆品種BPL471和2485帶有廣泛抗褐斑病基因，而BPL818和ILB1814帶有窄范圍抗性基因[33]。ILB752攜帶一個抗性顯性基因，NEB463攜帶一個感性隱形等位基因。并且少部分NEB463植株有至少一對互補的隱形基因表現(xiàn)為抗性。大多數(shù)ILB752植株是純合子，一些是雜合子。雜交后代表現(xiàn)相同[34]。在蠶豆抗褐斑病基因研究中，目前發(fā)現(xiàn)了Af家族并且進行了QTL定位及表達定位。推測的QTL(Af1和Af2)分別位于第8連鎖群(第3染色體)和第4連鎖群(第2染色體)上，共同貢獻了抗性表型變異的46%。Af1表現(xiàn)純加性基因，Af2表現(xiàn)明顯的顯性效應(yīng)[35]。但Kaur等[36]發(fā)現(xiàn)，4個控制抗性的染色體區(qū)域在2號染色體，6號染色體有兩個在1號染色體上。一個QTL-3和先前的研究相同，而QTL-1、QTL-2和QTL-4可能是新發(fā)現(xiàn)的。Atienza等[37]發(fā)現(xiàn)3號染色體上的Af3的位置和其他研究者報道的Af1的位置不同，認為Af3可能是褐斑病抗性另外來源，并且Af3和Af4對于所有殼二孢菌分離物都有效，Af5只對CO99-01分離物有效，Af6、Af7和Af8只對LO98-01有效。Af3、Af4、Af5和Af7在葉片和莖中都有效，但Af6僅僅葉片中，Af8僅在莖中[38]。

表 2 病害對蠶豆生理生化的影響Table 2 Effects of disease on the physiology and biochemistry of broad bean

除褐斑病遺傳抗性研究外，Ijaz和EL-Bramawy[39]發(fā)現(xiàn)，蠶豆對葡萄孢菌的一個抗性顯性性狀由一個基因位點控制。并且顯性表達在環(huán)境中具有不穩(wěn)定性[40]。Avila等[41]利用抗銹病材料2N52和感性材料VF16雜交，通過對F2群分析，確定了該抗性的單基因性，并且在F2:3衍生家族得到證實，通過篩選55個F2株系進行抗性鑒定，證實了RAPD標記的連鎖性。另外Villegas-Fernánde[42]設(shè)置了3組試驗，11份抗性材料的聯(lián)合分析顯示，無論是基因型還是基因 × 環(huán)境型還是環(huán)境型都不受影響，也就是說赤斑病對銹病抗性無影響(表3)。

我國蠶豆抗病育種和分子標記輔助育種雖已較為廣泛開展，但距育成抗病、優(yōu)質(zhì)蠶豆品種還有很長一段距離[23]。已篩選出的一些赤斑病的抗性資源有ICARDA收集的來自厄瓜多爾的BPL710 和BPL1179，尼羅河三角洲的ILB938和Giza 461，埃塞俄比亞的BPL1763、BPL1821，西班牙的BPL1196等[45]，這些都是中抗品種。Tivoli等[46]利用多種措施篩選抗赤斑病品種或資源，但都沒有篩選出理想的高抗品種。ICARDA收集 6 份資源(V-300、V-1271、V-1272、V-1273、V-313 和 V-1335)具有銹病抗性[47]。我國也選育出一些抗銹蠶豆資源，如引自ICARDA的85-213、85-246 等表現(xiàn)抗性，中抗的有江蘇泰縣青皮(H3174)、啟豆4號(H4059)、湖北的小粒茶蠶豆(H3869)和云南的綠皮豆(H0186)等[23]。法國選育的Line 29H、英格蘭的Quasar、波蘭的Fioletowy等對褐斑病都具有較好的抗性，這些抗性品種的種植地域有限，不同類型的抗性品種只能在特定的地區(qū)表現(xiàn)抗性，然而ICARDA選育的BPL471、BPL460、BPL74和BPL2485在多個國家都表現(xiàn)出較好的抗性[45]。

4 蠶豆病害的侵染、流行

蠶豆真菌病害中根腐病(F. avenaceum、F.oxysporum、F. solani)、枯萎病(F. oxysporum)、褐斑病(Ascochyta fabae)、銹病(Uromyces viciae)、火腫病(O. viciae)等均為土傳病害，侵染過程具有相似性。嚴吉明和葉華智[48]試驗結(jié)果表明，火腫病病菌以病殘體中的休眠孢子囊在土壤中休眠(越夏和越冬)，作為初侵染源。次年春播蠶豆后，休眠孢子囊萌發(fā)產(chǎn)生游動孢子侵染蠶豆幼苗，田間發(fā)病后，病菌不斷產(chǎn)生游動孢囊，釋放游動孢子作為再侵染源，游動孢子藉風雨在田間短距離傳播，病菌的再侵染頻繁發(fā)生，病害的發(fā)生流行曲線呈“S”型。除土壤初侵染源外，羅文富和阮興業(yè)[49]發(fā)現(xiàn)，連作和施用帶病殘體的廄肥更易于發(fā)病，根腐病病菌在蠶豆秸浸漬液中的繁殖量比在土壤浸漬液中大，因此豆田稻茬也是這些病害的初侵染源之一。有研究表明，從大田邊緣到中心，冬蠶豆殼二孢菌感染率逐漸下降，這說明相鄰田間感染植株是比感病種子更重要的感染源，1975、1976年2月到5月該病至少以120 m的范圍傳播[50](表4)。

土壤濕度是影響蠶豆生長和病害發(fā)生的主要環(huán)境因素之一，田間含水量過高或過低都不利于蠶豆健康生長。在田間土壤飽和持水量(WHC)為30%、50%和70%的土壤濕度條件下，播后10周蠶豆生物量干重和植株的死亡率依次分別為1.53 g、3.16 g、2.68 g和18.5%、4.8%、25.6%，表明蠶豆生長的最佳土壤濕度為50% WHC的土壤含水量，有利于蠶豆健康生長，根腐病的發(fā)生與危害相對較低[51]。除土壤濕度外，海拔也對根腐病的發(fā)生有較大影響，李春杰和南志標[6]對甘肅臨夏地區(qū)的340塊春蠶豆田根腐病進行調(diào)查，結(jié)果顯示，隨著海拔增高，蠶豆死亡率逐漸下降。暴雨對赤斑病也有影響，暴雨期間孢子數(shù)量最多，天氣干燥數(shù)量會減少，盆栽幼苗的病斑數(shù)變化和孢子數(shù)變化趨勢一致[54]。Samuel等[19]調(diào)查結(jié)果顯示，高降水量、高雜草密度、早種植都極利于感染赤斑病(P ＜ 0.01)(表4)。

5 防治技術(shù)

蠶豆病害防控應(yīng)以栽培抗性品種為主，除此之外，其他防治措施也發(fā)揮著很重要的作用。蠶豆病害防治主要包括4類方法。

5.1 農(nóng)業(yè)措施

耕作、混作、間作等農(nóng)業(yè)措施可有效防控蠶豆病害。Samuel等[20]進行了蠶豆單獨種植、蠶豆 ×豌豆 (Pisum sativum)、蠶豆 × 玉米 (Zea mays)、蠶豆 ×大麥(Hordeum vulgare)混作4組田間試驗，蠶豆 ×大麥患病程度相對降低3.0%，說明蠶豆和谷物混作可減輕赤斑病流行度并且增加蠶豆產(chǎn)量；杜成章等[53]試驗發(fā)現(xiàn)，蠶豆與馬鈴薯(Solanum tuberosum)間作行比為2∶2時對蠶豆赤斑病的防控效果最好，發(fā)病率與病情指數(shù)分別為46.5%和26.3；魯耀等[55]等也發(fā)現(xiàn)間作小麥，蠶豆葉赤斑病發(fā)病率和病情指數(shù)分別降低了15.75%和1.5%。

間作除能降低蠶豆赤斑病的發(fā)病率外，也能降低其他蠶豆病害，比如枯萎病。云麥42 || 蠶豆間作和云麥47 || 蠶豆間作使蠶豆地上部生物量分別增加16.6% 和13.4%，使蠶豆枯萎病病情指數(shù)分別降低47.6%和23.3%[8]。除了間作單作效果對比，不同植物和蠶豆間作效果對比，研究者還對間作降低發(fā)病率的生理機制進行了深入研究。董艷等[56]通過田間小區(qū)試驗得出結(jié)論，間作明顯提高了蠶豆根際微生物活性(AWCD)值，根際微生物的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)，并顯著增加了蠶豆和小麥根際微生物對31種碳源的平均利用率。發(fā)病盛期和發(fā)病末期，間作蠶豆根系的過氧化物酶(POD)顯著提高了20.0%和31.3%，過氧化氫酶(CAT)活性分別顯著提高了38.5%和66.7%，丙二醛(MDA)含量顯著降低36.3%和46.3%；蠶豆根際鐮刀菌數(shù)量分別降低53.8%和33.1%，從而提高了蠶豆對枯萎病的抗性，降低了枯萎病的危害程度(P ＜ 0.05)。

施肥及增施某些礦質(zhì)元素肥料也可以對蠶豆病害起到一定防治作用。間作條件下，蠶豆赤斑病的發(fā)生與蠶豆鉀含量呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，在結(jié)莢期，間作條件下增施鉀肥的處理比單作條件下增施鉀肥的處理赤斑病病情指數(shù)降低了42.36%[57]。董艷等[58]發(fā)現(xiàn)，適當增施氮肥可以防治蠶豆枯萎病，N1(56.25 kg·hm-2)、N2(112.5 kg·hm-2)、N3(168.75 kg·hm-2)處理下蠶豆根際土壤微生物培養(yǎng)120 h的AWCD值分別比N0(0 kg·hm-2)處理增加6.0%、19.3%和38.6%，同時N2和N1處理下蠶豆赤斑病發(fā)病率較N0降低了38.5%和53.8%，施氮處理(N1、N2、N3)蠶豆根際的細菌、放線菌數(shù)量顯著增加，蠶豆枯萎病的病情指數(shù)和根際鐮刀菌的數(shù)量顯著降低，表明施氮能顯著提高微生物的代謝活性，降低病害的發(fā)生(P ＜ 0.05)。銹病防治中，磷酸鹽或者乙二胺四乙酸(EDTA)處理后，用10 mol·mL-1酸鹽處理可以引起系統(tǒng)抗性，鈣離子單獨施用無效，間隔達到12 d，感染率下降了75%[59]。

5.2 生物措施

生物防治因其成本低、高效率、環(huán)境友好和無藥物殘留等特點成為當前國內(nèi)外植物病害防治的研究熱點[60]。有研究表明，熒光假單胞桿菌(Pseudomonas fluorescens) 36種分離物能夠產(chǎn)生7.5～29.4 mm的抑制圈抑制病原菌生長，10 d內(nèi)促進蠶豆生長3.14 cm，阻止幼苗水分過多爛死和根腐病[61]。Rabie[26]對蠶豆進行叢枝菌根真菌接菌處理后，根鮮重增加0.9 g，莖鮮重增加1.6 g，根長增加2.6 cm，植物總鮮重中總酚含量升高49.78 μg·gm-1，自由酚含量升高9.4 μg·gm-1，鉀、鈉、鈣等礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量皆有不同程度提高，赤斑病發(fā)病率由83%降低到19.2%；董艷等[56]對蠶豆接種摩西球囊霉(Glomus mosseae)、扭形球囊霉(Glomus tortuosum)、根內(nèi)球囊霉(Glomus intraradics)及幼套球囊霉(Glomus etunicatum)，使蠶豆根際鐮刀菌數(shù)量分別顯著降低了98.6%、74.3%、77.8%和90.4%，蠶豆枯萎病病情指數(shù)分別顯著降低了94.0%、60.0%、64.0%和94.0% (P ＜ 0.05)。

5.3 物理措施

物理防治措施研究相對較少，但仍是不可或缺的部分。有試驗證明，紅光處理可以引起蠶豆對葉斑病的抗性[62]，孢子萌發(fā)液可以引起蠶豆小葉對非致病性分離物的敏感性[23]；在機械損傷1 h后接種銹病，植株的銹病抗性會增強，隨后在受傷和未受傷葉片中，茉莉酸和兩種三羥基脂質(zhì)快速積累，這兩種脂質(zhì)有抗真菌的作用，會抑制孢子的萌發(fā)[63]。

5.4 化學措施

雖然化學藥劑易造成環(huán)境污染，但在病害嚴重時仍是主要的防控措施。目前，對蠶豆病害的化學防治措施研究主要集中在不同殺菌劑單用、混合使用效果比較。如噴施苯菌靈比噴施異菌脲，咪鮮胺，噻菌靈能更有效降低赤斑病感染率[18]；代森錳加代森錳鋅處理可降低銹病發(fā)生，增加千粒重和接莢率，提高大田大豆產(chǎn)量5.6～7.7 t·hm-2[64]；戊唑醇可促進枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)B-916在土壤中定殖，減緩B-916群體數(shù)量大幅度下降趨勢，幫助B-916抑制蠶豆枯萎病病原菌絲生長，發(fā)揮生物作用，防治蠶豆枯萎病。在病土環(huán)境中與戊唑醇混用的B-916的群體數(shù)量是單用B-916的4.46倍，在接菌播種后30 d時，在自然土環(huán)境里復配劑中B-916的群體數(shù)量是單劑B-916的6.43倍[65]。研究表明，施用粉銹寧防治銹病時，蠶豆葉片會出現(xiàn)不完全多核隔膜出現(xiàn)，細胞壁加厚，完全阻擋菌絲這些變化，這和粉銹寧對固醇生物合成的影響相關(guān)[66]。氟甲基鳥氨酸接種處理比預接種處理可減少57.5%葉片感染面積，且不會影響多酚的內(nèi)源濃度[11]?；瘜W藥劑也是防止根腐病的重要措施，與對照相比，三唑酮單獨拌種降低6周齡植株的根腐病情指數(shù)51.5%，成株累計死亡率減少36%，單株種子產(chǎn)量提高21%，種子產(chǎn)量增加97.6%[67]。

6 展望

蠶豆病害防治應(yīng)減少對化學防治的依賴，積極開展蠶豆抗病品種的篩選與育種，這是防治蠶豆病害最經(jīng)濟有效的措施。目前，國內(nèi)蠶豆抗病性品種的研究集中在抗病種質(zhì)的篩選，有關(guān)抗病基因的研究不多，因此，應(yīng)加強該領(lǐng)域的研究。病害致病機理及流行方面，應(yīng)借鑒對大豆等作物的病害研究方法，廣泛采用分子生物學技術(shù)，在轉(zhuǎn)錄組、基因組和蛋白組學等水平開展病害致病機理研究，明確病害侵染分子機理，找準病害發(fā)生關(guān)鍵時期，為病害防控提供強有力的支撐。同時，積極開展叢枝菌根真菌、根瘤菌及促生菌等共生菌調(diào)控植物生長和抗病性的研究，開發(fā)綠色友好型微生物菌肥及殺菌劑，于生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。